第四章 故障-安全計(jì)算機(jī)架構(gòu)

1、第四章 故障-安全計(jì)算機(jī)架構(gòu)本章概述 從總體上介紹故障-安全計(jì)算機(jī)架構(gòu)，介紹二乘二取二、三取二架構(gòu)，介紹其組成部分和工作原理，介紹組合故障安全、反應(yīng)故障安全和固有故障安全的概念，介紹主要廠家的故障安全計(jì)算機(jī)架構(gòu)。安全技術(shù)n 避錯(cuò)技術(shù)質(zhì)量保證評(píng)審、檢查形式化方法測(cè)試安全技術(shù)n容錯(cuò)技術(shù)故障診斷技術(shù)nThe time for detection-plus-negation故障導(dǎo)向安全n復(fù)合故障安全n反應(yīng)故障安全n固有故障安全冗余技術(shù)n硬件冗余n軟件冗余n信息冗余n時(shí)間冗余安全技術(shù)n糾錯(cuò)技術(shù)自動(dòng)恢復(fù)信息冗余/數(shù)據(jù)糾錯(cuò)n 故障-安全輸入接口p 編碼方式的故障安全輸入p 采用診斷技術(shù)檢查輸入值p 多重模塊

2、結(jié)構(gòu)輸入比較表決n 故障-安全輸出接口p 多重模塊的比較表決p 動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)電路p 基于硬件的表決電路6故障安全技術(shù)故障-安全輸入接口p 編碼方式的故障安全輸入故障-安全輸入接口p 采用診斷技術(shù)檢查輸入值故障-安全輸入接口p 多重模塊結(jié)構(gòu)輸入比較表決故障-安全輸出接口p 多重模塊的比較表決故障-安全輸出接口p 動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)電路故障-安全輸出接口p 基于硬件的表決電路n故障-安全數(shù)據(jù)處理p 同步表決p 差異與比較p 執(zhí)行時(shí)間檢查n故障-安全數(shù)據(jù)通信p 序列號(hào)p 時(shí)間戳p 超時(shí)p 源、目的地p 應(yīng)答確認(rèn)p 編碼校驗(yàn)13故障安全技術(shù)n故障-安全數(shù)據(jù)處理n故障-安全數(shù)據(jù)處理n故障-安全數(shù)據(jù)通信接受方需要檢測(cè)以

3、下內(nèi)容：1、發(fā)送源ID；2、雙通道差異化CRC報(bào)文數(shù)據(jù)校驗(yàn)；3、時(shí)間戳校驗(yàn)（采用偽隨機(jī)序列生成時(shí)間戳）；4、時(shí)間戳和報(bào)文序列校驗(yàn)故障安全技術(shù)n反應(yīng)故障安全（Reactive fail-safety） 由快速的故障檢測(cè)和對(duì)任何危險(xiǎn)失效進(jìn)行避錯(cuò)來(lái)保證它的安全n舉例輸出回檢編碼校驗(yàn)輸出回檢編碼校驗(yàn)故障安全技術(shù)n固有故障安全（Inherent fail-safety） 如果由一個(gè)獨(dú)立部件來(lái)執(zhí)行某個(gè)安全功能，則須保證該獨(dú)立部件在所有失效模式均無(wú)危險(xiǎn)n舉例重力型安全繼電器動(dòng)態(tài)輸出條件電源重力型安全繼電器動(dòng)態(tài)輸出條件電源VCOR:Vital Cut-Off Relay二乘二取二架構(gòu)兩個(gè)子系統(tǒng)形成冗余子系統(tǒng)內(nèi)

4、兩臺(tái)計(jì)算機(jī)獨(dú)立運(yùn)行 ，形成二取二二乘二取二架構(gòu)二乘二取二架構(gòu)兩個(gè)子系統(tǒng)，完全一致n 供電模塊：各系都有獨(dú)立的供電模塊n 數(shù)據(jù)交流單元：用于與外部設(shè)備的數(shù)據(jù)交流 （以太網(wǎng)，PCIE等）n 二取二處理單元：數(shù)據(jù)處理n 輸入模塊：數(shù)據(jù)采集，提供給處理器n 輸出模塊：數(shù)據(jù)輸出n 數(shù)據(jù)同步和切換模塊：兩系之間進(jìn)行數(shù)據(jù)同步；主系發(fā)生故障時(shí)，進(jìn)行主備的切換二乘二取二架構(gòu)二取二處理模塊：CPU1CPU2表決三取二架構(gòu) 三取二架構(gòu)，三臺(tái)計(jì)算機(jī)采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，同步工作，從輸入端輸入相同的信息，執(zhí)行同樣的程序，完成同樣的任務(wù)，得到的結(jié)果送入表決器，以多數(shù)的結(jié)果(取二)作為最后的控制輸出。三取二架構(gòu)三取二架構(gòu)三個(gè)處理模

5、塊n 供電模塊：各系都有獨(dú)立的供電模塊n 數(shù)據(jù)交流單元：用于與外部設(shè)備的數(shù)據(jù)交流 （以太網(wǎng)，PCIE等）n 數(shù)據(jù)處理單元：數(shù)據(jù)處理，3個(gè)，實(shí)現(xiàn)三取二n 輸入模塊：數(shù)據(jù)采集，提供給處理器n 輸出模塊：數(shù)據(jù)輸出n 沒(méi)有主備切換模塊關(guān)鍵技術(shù)n 同步技術(shù)：用于各系之間以及同系的雙機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)同步n 主備切換技術(shù)：當(dāng)主系發(fā)生故障時(shí)，主備系之間進(jìn)行切換（如何做到無(wú)縫切換）關(guān)鍵技術(shù)同步同步技術(shù)在三取二或者二乘二取二架構(gòu)中至關(guān)重要常用的同步方法有時(shí)鐘同步和任務(wù)同步n 時(shí)鐘同步的實(shí)現(xiàn)方法是將兩套完全一樣的CPU及其核心電路集成在一塊電路板上，以便采用同一個(gè)晶振分頻電路作為芯片的時(shí)鐘脈沖，并采用專門設(shè)計(jì)的比較器

6、對(duì)兩個(gè)CPU總線進(jìn)行比較監(jiān)督。n 任務(wù)同步的實(shí)現(xiàn)方法是兩個(gè)CPU單獨(dú)工作，通過(guò)CPU問(wèn)的高速通道周期性地對(duì)兩個(gè)CPU中的各任務(wù)進(jìn)行同步比較，以完成對(duì)兩個(gè)CPU工作一致性的檢查。關(guān)鍵技術(shù)同步 區(qū)別：兩種實(shí)現(xiàn)方式的不同在于，時(shí)鐘同步系統(tǒng)主要采用硬件完成雙CPU工作一致性的比較，對(duì)硬件有較高的要求，并且在每一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，都要對(duì)兩個(gè)CPU的內(nèi)容進(jìn)行比較。任務(wù)同步系統(tǒng)主要采用軟件完成雙CPU工作一致性的比較，對(duì)軟件有較高的要求，同時(shí)也要求采用真正安全可靠的軟件比較算法，它是基于任務(wù)的同步，只有在每個(gè)任務(wù)完成后，對(duì)每個(gè)任務(wù)的結(jié)果進(jìn)行一致性比較。安全計(jì)算機(jī)在軌道交通上的應(yīng)用 安全計(jì)算機(jī)平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)CBTC中

7、各系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)平臺(tái)。主要有以下三個(gè)不同的應(yīng)用環(huán)境n CBI應(yīng)用環(huán)境：CBI專用于執(zhí)行軌旁聯(lián)鎖邏輯的安全性功能，它通過(guò)安全型接口電路與軌旁設(shè)備接口，采集并控制其狀態(tài)。n CC應(yīng)用環(huán)境: CC系統(tǒng)是保證列車運(yùn)行安全的系統(tǒng)，提供列車運(yùn)行間隔控制、超速防護(hù)、車門和站臺(tái)屏蔽門監(jiān)督等安全防護(hù)功能以及自動(dòng)駕駛功能。n ZC應(yīng)用環(huán)境： ZC根據(jù)所有已知障礙物位置和移動(dòng)授權(quán)來(lái)確定其區(qū)域內(nèi)所有列車運(yùn)行權(quán)限。安全計(jì)算機(jī)在軌道交通上的應(yīng)用CBI環(huán)境建模主要廠商國(guó)外：西門子、阿爾斯通、安薩爾多國(guó)內(nèi)：卡斯柯、中國(guó)通號(hào)、眾合機(jī)電（網(wǎng)新）、和利時(shí)、自儀股份、中國(guó)電子科技集團(tuán)第十四所合作合作合作各公司安全計(jì)算機(jī)架構(gòu)1、通號(hào)-

8、Siemens (QDP1L3-CBI)系內(nèi)通過(guò)雙口RAM和公共時(shí)鐘源實(shí)現(xiàn)同步雙系通過(guò)串行高速總線實(shí)現(xiàn)信息的交換和系同步切換各公司安全計(jì)算機(jī)架構(gòu)Bombardier-RATP各公司安全計(jì)算機(jī)架構(gòu)3、CASCOCBI采用2oo4 (dpram)ZC采用2oo3(與IO采集板通過(guò)高速串行總線通信)CC采用單頭2oo3、雙頭熱備冗余的方式4、交大微聯(lián)-QDP1L3采用2oo45、AlcatelZC采用2oo3，CBI采用2oo4各公司架構(gòu)6、網(wǎng)新三取二架構(gòu)各公司安全計(jì)算機(jī)架構(gòu)n CPU處理板是三取二核心處理單元，主要完成各種數(shù)據(jù)的運(yùn)算和處理n ATO板完成各種數(shù)據(jù)的運(yùn)算與處理n SAC板負(fù)責(zé)采集開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)、速度傳感器數(shù)據(jù)、信標(biāo)數(shù)據(jù)、多普勒雷達(dá)數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給CPU板和ATO板。n 三者之間通過(guò)PCI總線相連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信各公司安全計(jì)算機(jī)架構(gòu)n COMM板實(shí)現(xiàn)安全計(jì)算機(jī)內(nèi)部板卡之間以及安全計(jì)算機(jī)對(duì)外通信n 兩個(gè)COMM